铂类药物暴露近端小管细胞中应激与修复相关通路模块的比较转录组学分析

《Toxicology》：Comparative transcriptomics reveals shared stress and repair-associated pathway modules in proximal tubule cells exposed to platinum chemotherapeutics

　　

铂类化疗药物（包括顺铂、卡铂和奥沙利铂）是治疗实体恶性肿瘤的基石，但其临床应用受限于剂量依赖性的肾毒性。三种临床常用铂类药物在肾近端小管细胞中的共享转录程序尚未得到充分表征，这限制了用于危害识别和不良结局路径（AOP）开发的稳健体外特征的建立。在此，研究人员在暴露于低剂量、亚毒性浓度的顺铂、卡铂或奥沙利铂的条件性永生化近端小管上皮细胞（ciPTEC）中进行了比较转录组谱分析和通路富集分析。RNA测序（RNA-seq）鉴定出三种化合物共有的1261个差异表达基因（DEGs）。基于Reactome的通路富集分析将这些共享基因组织成九个通路簇，涵盖基因组毒性应激反应、蛋白质稳态、细胞周期调控、细胞外基质（ECM）组织、免疫信号传导以及组织重塑/修复相关程序。其中，蛋白酶体相关过程、线粒体翻译、ECM组织以及Hedgehog/Wnt–平面细胞极性（PCP）信号传导等多个簇在该体外模型中作为突出的共享特征出现，并被优先选为候选模块以供后续测试。总之，这些数据提供了三种铂类药物在近端小管细胞中共同转录反应的系统级视图，并提名了与AOP相关的候选关键事件（KE）对齐的转录模块以及近端小管应激/修复反应的共享转录特征，以供后续的剂量-反应、时间和功能验证。

论文解读：铂类药物诱导近端小管细胞应激与修复的共享转录模块研究

研究背景与意义

铂类化疗药物（顺铂、卡铂、奥沙利铂）是实体瘤治疗的支柱，但其剂量依赖性肾毒性构成重大临床限制。现有策略（如水化、抗氧化剂）仅提供部分保护，且机制未完全阐明。尤其缺乏针对三类铂剂在肾近端小管细胞中共享分子响应的系统性解析，阻碍了危害识别及不良结局路径（AOP）网络的完善。既往研究多聚焦单一药物（尤其是顺铂），缺乏对化学类别共性的比较分析，难以区分化合物特异性效应与核心肾毒性机制。本研究旨在通过系统生物学方法，在体外模型中定义共享转录响应模块，为预测性毒理学和干预策略提供依据。该研究成果发表于毒理学领域期刊《Toxicology》。

关键技术方法概述

研究人员采用条件性永生化近端小管上皮细胞（ciPTEC）作为人源近端小管体外模型。通过细胞活力测定（PrestoBlue法）确定亚毒性浓度（IC₁₀）作为暴露条件。对暴露于低剂量顺铂、卡铂或奥沙利铂的细胞进行RNA测序（RNA-seq），原始数据处理采用R-ODAF流程，包括fastp质控、STAR比对、RSEM定量及DESeq2差异表达分析（FDR ≤ 0.01）。针对三种药物共有的差异表达基因（DEGs），利用Reactome数据库进行通路过表征分析（ORA），并通过Cytoscape可视化富集网络，最终将结果映射至AOP框架进行生物学解释。

研究结果

1. 铂类化疗药物的独特肾毒性特征

细胞活力测定显示顺铂细胞毒性最强，其次为卡铂和奥沙利铂。基于此确定的亚毒性浓度进行转录组分析。整合重叠分析表明，顺铂诱导的DEGs最少（1797个），而卡铂（6247个）和奥沙利铂（5498个）诱导更广泛变化。三者共享的DEGs共1261个，代表了对铂类药物的核心分子响应。

2. 共享DEGs的Reactome分析揭示九大机制簇

对1261个共享DEGs的Reactome分析鉴定出84条显著富集通路（p < 0.05），归纳为九大机制簇：DNA损伤检查点、有丝分裂细胞周期、适应性应激反应、ECM组织、转录调控、免疫信号、蛋白质代谢、核心信号转导及线粒体翻译。

3. 翻译后修饰通路的差异调控凸显蛋白酶体扩增

蛋白质代谢相关DEGs分析显示，蛋白酶体系统基因（占42.9%）均上调（平均log₂FC = 0.39），包括20S催化亚基（PSMA6, PSMB3等）、19S调节亚基（PSMD3, PSMD8等）及激活因子（PSME2, PSME4）。相反，翻译后修饰酶（如芳基硫酸酯酶ARSB/ARSD/ARSE/ARSG、ADAMTS金属蛋白酶）普遍下调，表明在增强蛋白酶体介导的蛋白质质量控制同时，损害了蛋白质的成熟与修饰。

4. 有丝分裂细胞周期调控通路系统上调

细胞周期调控相关DEGs（11个）全部上调。除蛋白酶体亚基外，后期促进复合物/周期体（APC/C）调节亚基CDC16和CDC23也显著诱导。这表明铂类暴露扰乱了细胞周期检查点，通过泛素-蛋白酶体系统（UPS）协调激活有丝分裂进程。

5. 细胞周期检查点通路协调上调

DNA损伤检查点通路涉及12个DEGs，均上调。p53相关通路占主导，包括CDKN1A（p21，log₂FC = 1.059）和MDM2（log₂FC = 1.255）。此外，锌指蛋白ZNF385A及多个蛋白酶体亚基参与，揭示了p53依赖与非依赖的检查点通路及蛋白酶体介导的细胞周期转换控制。

6. TP53介导的转录通路全面激活

TP53调控通路包含16个DEGs，涉及细胞周期阻滞（CDKN1A, BTG2, E2F7）、凋亡（BAX, BBC3/PUMA, TP53I3）及死亡受体（FAS, TNFRSF10A/B/C）。CDKN1A具有最强显著性，TP53I3诱导幅度最大（log₂FC = 1.718），反映了协调的p53依赖性细胞命运决策。

7. NFE2L2介导的抗氧化反应与蛋白酶体激活协调

化学应激通路以KEAP1–NFE2L2（NRF2）抗氧化轴和NRF2稳定性网络为主。23个DEGs中87%上调，包括氧化应激响应基因SESN2、SQSTM1（p62）及大量蛋白酶体组分。ER应激相关基因（ATF6, BCL2）则呈下调趋势，提示选择性应激激活与蛋白质降解在协调应激反应中的核心作用。

8. 线粒体翻译通路差异调控

线粒体翻译通路富集了18个核糖体蛋白（MRPL/MRPS系列）及翻译因子（DAP3, ERAL1, GFM2），均上调（平均log₂FC = 0.379）。这反映了对铂诱导的蛋白质毒性和氧化应激的适应性反应，旨在维持ATP产生和蛋白质质量控制能力。

9. 转录组分析揭示细胞外基质组织系统性抑制

ECM相关转录本主要被抑制，涉及胶原蛋白（COL11A1, COL4A2等，平均log₂FC = -1.765）、弹性纤维蛋白（FBN1, FBLN5）、整合素（ITGB1/3/5/6）及交联酶LOXL4。唯一上调的是生长分化因子GDF5。这表明ECM生物合成、组装及细胞-基质粘附受损，导致重塑失败。

10. 经典Hedgehog和Wnt信号抑制伴蛋白酶体中心信号转导检查点强化

信号转导分析显示64个DEGs跨越13条通路。Hedgehog（Hh）通路组分（PTCH1, GLI1/3, HHAT, IFT122/140）普遍下调，而蛋白酶体降解组分上调，提示通过增强GLI降解沉默Hh信号。Wnt/PCP通路呈现分支特异性调控：FZD5上调而FZD7下调，AXIN2（抑制因子）下调，SCRIB（PCP支架）上调。RAS信号调节因子KALRN和RASA4显著下调。整体表现为发育与机械感应通路抑制，蛋白质降解驱动的信号转导偏向适应不良的重塑。

讨论与结论总结

研究人员讨论了在ciPTECs中鉴定的九大通路簇（蛋白质稳态、p53检查点、线粒体翻译、ECM重塑、Hh/Wnt-PCP抑制等）作为共享转录响应模块的生物学意义及其与肾小管应激/修复的关联。一个意外发现是细胞毒性最强的顺铂反而诱导最少的DEGs，提示其效应可能更多通过快速非转录机制（如DNA加合物形成）实现。研究强调了蛋白酶体扩增、p53激活、线粒体翻译激增与ECM/再生信号抑制之间的串扰如何共同决定细胞命运（修复或凋亡）及组织病理结局（纤维化/囊性变）。

结论

铂类肾毒性与近端小管细胞中协调的细胞应激和修复反应相关，包括蛋白质稳态相关信号、DNA损伤/检查点通路及重塑程序。通过整合三种铂类药物在亚毒性浓度下共享的1261个DEGs，研究鉴定了九大通路簇，提供了该系统级转录响应图谱，并提名了候选通路模块及共享转录特征，以支持AOP框架下的靶向验证、剂量-反应/时间进程研究及跨模型比较，最终助力预测毒理学和缓解铂诱导肾损伤的策略开发。